【導(dǎo)讀】工作和取得的研究成果。據(jù)本人所知，除了文中特別加以標注和致謝之處外，論文。他教育機構(gòu)的學位或證書而使用過的材料。與我一同工作的同志對本研究所做的任。何貢獻均已在論文中作了明確的說明并表示了謝意。媒體上發(fā)表、傳播學位論文的全部或部分內(nèi)容。為增強系統(tǒng)開放性、可靠性和通訊功能，首次將CAN總線技術(shù)應(yīng)用到氧。化鋯氧量分析儀表系統(tǒng)中。系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計方法，采用新型的單片機C8051F040. 穩(wěn)定性提高，系統(tǒng)功能擴展及軟硬件升級比較方便。與傳統(tǒng)儀表相比，該智能儀表。有許多突出特點。它具有自動測量、實時在線測量的能力，并可通過數(shù)據(jù)處理實現(xiàn)。自動校準、數(shù)字濾波、智能處理等。儀表所特有的人機對話、數(shù)據(jù)通信、大容量存。儲等功能更是常規(guī)儀表無法比擬的。

　　

【正文】 ， 4， 5， 6} 使用 PB， PM， PS， Z， NS， NM， NB 七個檔來描述溫度偏差的變化率 EC 和輸出量 U，并且定義論域為： EC={6， 5， 4， 3， 2， 1， 0， 1， 2， 3， 4， 5， 6} U={7， 6， 5， 4， 3， 2， 1， 0， 1， 2， 3， 4， 5， 6， 7} 確定溫度偏差 E 和溫度偏差的變化率 EC 的隸屬度函數(shù)分別如表 3–1 和表 3–2所示。 模糊推理采用 Mamdani 推理規(guī)則，并經(jīng)過反復(fù)調(diào)試、修改得到模糊控制查詢表，如表 3–3 所示。 表 3–1 偏差 E*的隸屬函數(shù) 量化區(qū)模糊子集6 5 4 13 2 0 3+0 21 4 65PBPMPSPZNZNSNMNB 000000 0000000 0000000 0000000 0 0 0000000 0 0000000 華北電力大學碩士學位論文 19 表 3–2 偏差變化 EC*的隸屬函數(shù) 6 5 4 13 2 30 21 4 65PBPMPSZNSNMNB 量化區(qū)模糊子集 0 0 0 0 0 表 3–3 基本模糊控制表 6 5 4 13 2 0 3+0 21 4 65654321010 0001244 4467670 0001244 4466660 0001244 4467672 2202255 5566664 4430014 1467674 4433014 1467676 7764101 0467676 7764410 113444E*U*EC*234566 7764410 1024446 6663310 1002226 7764443 4110006 6664442 4110006 7766441 411000 二 PI 控制器 模糊控制器自身不能有效地抑制系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差，在誤差進入偏差較小范圍時，切換到積分環(huán)節(jié)可以明顯是減小系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差。但是積分產(chǎn)生的控制作用有時是有缺陷的 :由于積分作用只要誤差存在就一直進行積分，在實際應(yīng)用中導(dǎo)致“積分飽和”會使系統(tǒng)的快速性下降 ； 積分控制作用針對性不強，甚至有 時不符合控制系統(tǒng)的客觀需要，如圖 33 所示。 T 為控溫設(shè)定值， [Ts,T+s]為控溫誤差較小區(qū)。如果在區(qū)間 (a,b)， (f,g)使用積分作用則會同有經(jīng)驗的操作人員的控制作用相反，積分控制作用在區(qū)間 (a,b)， (f,g)增加了一個正量控制，使控制量遠離了平衡點，而這兩段誤差 E 和誤差的變化 △ E 勻有減少的趨勢，所以不加入積分作用，利用系統(tǒng)的慣性向穩(wěn)態(tài)過渡。 所以正確的控制策略是在 (b,c)， (d,e)， (g,h)等區(qū)間上進行積分，能有效地抑制超調(diào)，盡快減少誤差，在 (a,b)， (f,g)等區(qū)間不加入積分作用，利用 系統(tǒng)的慣性向穩(wěn)華北電力大學碩士學位論文 20 態(tài)過渡。 ( )?）?溫度 C時間 （ sa b c d e f g h??T 圖 33 控溫曲線 總結(jié)這些區(qū)間的特點可以得到需要引入積分作用的區(qū)間滿足 0*EC*E ?? ，因此，氧化鋯傳感器溫度分段 PI–模糊控制的輸出控制增量 △ V 由公式 （ 3–2） 計算。 ????? ?Ek UV1 0E*0E C*0*EC*E*,*E **E ??? ? 且或?? ? ? （ 3–2） 在誤差較小區(qū)以外時 **E ?? ，系統(tǒng)由模糊控制器實現(xiàn)控制。 當誤差在較小區(qū)以內(nèi)時 **E ?? ，系統(tǒng)進入微調(diào)控制，并且在 0*EC*E ?? 誤差有增大的區(qū)間引入積分作用，以減小系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差。 三 分段 PI–模糊控制器的實現(xiàn) 本文中控制給定溫度設(shè)定值 700T? 176。C ， BANGBANG 控制控溫范圍 10E? 176。C ，模糊控制控溫范圍 1176。C 10E?? 176。C ， PI 控制 控溫范圍 1E? 176。C 。 溫度值的采樣周期為1s 。 氧化鋯傳感器溫度分段 PI–模糊控制的采集控制過程如下 : T(i)， 為第 i 次采集； 算 溫 度 誤 差 E(i)=TT(i) ， T 為 溫 度 設(shè) 定 值 ； 計 算 溫 度 誤 差 變 化)1i(E)i(E)i(EC ??? ； 3. 判斷 )i(E ，如果 10)i(E ? 176。C 執(zhí)行 BANGBANG 控 制 ， 否 則 如 果1176。C 10)i(E ?? 176。C 執(zhí)行模糊 控制，否則執(zhí)行 PI 控制； 3–1 和表 3–2，計算出誤差 E 和誤差變化 EC 的模糊量 E*和 EC*； E*和 EC*查模糊控制表 3–3 得到模糊控制器輸出 U*； U*采用“ maxmin–重心法”反模糊化，并且采用公式 (3–2)求出分段 PI–模糊控制的控制量輸出增量 △ V(i)； )i(V)1i(V)i(V ???? 式中 V(i)和 V(i1)分別為第 i 和第 i1次的控制輸出量， V(i)為過零觸發(fā)可控硅的 PWM 的開度值； 電壓來控制傳感器的工作溫度。 華北電力大學碩士學位論文 21 現(xiàn)場總線智能氧量分析 表 的自標定 一 自標定原理 由 可知，氧化鋯氧量分析儀根據(jù)能斯特公式求得煙氣中的含氧量，但是 能斯特方程是建立在以下 4個條件基礎(chǔ)之上的：氣體為理想氣體；電池完全可逆；電池處于恒溫、恒壓狀態(tài)下；無任何附加電勢。而在實際應(yīng)用中，上述 4個條件很難同時滿足，直接使用能斯特方程會帶來較大誤差；而且現(xiàn)場環(huán)境一般都比較復(fù)雜，存在各種干擾，嚴重影響測量精度。 為了減小誤差，提高測量的準確性，在系統(tǒng)設(shè)計時對氧化鋯探頭進行了校正，以下就是對其進行的說明 [19]。 儀表的校正包括定時自動修正標定，即時自動修正標定，手動修正標定校驗，手動修正。 （空氣和 5%標準氣） 標定 (1%標準氣和 9%標準氣 )，周期可靈活設(shè)置。通過儀表的設(shè)定 ,定時時間到分別打開四只電磁閥來完成。對儀表的要求是通過儀表內(nèi)的四只繼電器來控制四只電磁閥的動作。動作過程應(yīng)該是 ,當儀表設(shè)定的定時到，儀表內(nèi)的繼電器 1動作打開電磁閥 1使大氣通過探頭的標氣管進入探頭的測量端，此 時儀表測得的電勢就是氧化鋯探頭輸出的本底電勢，當儀表判斷此電勢動態(tài)變化小于 ，儀表即刻記錄此電勢 (此電勢就 是本底電勢 )。儀表進行計算后顯示修正后的氧量測量值和本底電勢修正值。延時 60s后繼電器 1動作關(guān)閉電磁閥 1，同時繼電器 2動作打開電磁閥 2使 5%標氣通過探頭的標氣管進入探頭的測量端，此時儀表測得的電勢是送 5%標氣時氧化鋯探頭輸出的本底電勢，實際氧電勢和線性誤差電勢，當儀表判斷此電勢動態(tài)變化小于 ，儀表即刻記錄此電勢。儀表進行計算后顯示修正后的氧量測量值本底電勢值和標氣電勢修正值。此時儀表對氧化鋯探頭的修正已完成。延時 60s后繼電器 2動作關(guān)閉電磁閥 2，儀表進入標氣標定狀態(tài)。同時繼電器 3動作打開 電磁閥 3使 1%標氣通過探頭的標氣管進入探頭的測量端，此時儀表進行計算后應(yīng)顯示送 1%標氣時氧量測量值。延時 60s后繼電器 3動作關(guān)閉電磁閥 3，同時繼電器 4動作打開電磁閥 4使 9%標氣通過探頭的標氣管進入探頭的測量端，此時儀表進行計算后應(yīng)顯示送 9%標氣時氧量測量值。 延時 60s后繼電器 4動作關(guān)閉電磁閥 4，此時定時自動修正標定完成。儀表回到正常測量狀態(tài)； 。通過上位機通信接口或儀表鍵盤操作即刻進行自動修正標定； 。用手動方式代替定時自動修正標定的各項操作。本底電勢修正值 ,標氣電勢 修正值也可由手動方式來進行修正； 。通過手動方式對儀表的本底電勢修正值和標氣電勢修正值進行修 改，修改后的值為新的修正值。 二 標定方法 華北電力大學碩士學位論文 22 由于測氧元件是非線性元件，所以要對儀表量程內(nèi)的線性誤差進行修正，提高儀表在各量程段內(nèi)的測量精度。以 5%左右氧量為中點測得的標氣電勢修正值為基礎(chǔ) ,具體的修正值應(yīng)通過能斯特公式算出的氧量標氣修正電勢，對線性誤差進行修正。這種修正方式可以對全量程內(nèi)的線性誤差進行修正。 氧化鋯探頭的參比端和測量端均通入大氣（即二端無氧濃差）時，儀表測得的電勢為本底電勢 Eb，送 5%左右 標氣測得的氧電勢值 E5，根據(jù) 能斯特公式得出 標氣為 5%時，電勢應(yīng)為 ，此值即為標氣預(yù)置值。根據(jù)公式 （ 3–3） 得出標氣電勢修正值 E? 。 ???? bEEE （ 3–3） E? = PPnFRT ?0ln （ 3–4） 根據(jù)公式 （ 3–4） 得出： )5/ln()/ln(00PnFRTPPnFRTEerror ??? （ 3–5）全量程內(nèi)的線性誤差修正公式： Eerror ?? / )/ g ()5/ g ( P ?? （ 3–6） 所以由公式 （ 3–3） ，公式 （ 3–4） ，公式 （ 3–5） ，公式 （ 3–6） 得 errorEEE b ???? （ 3–7） 式 中 E? ― 實際氧電勢值； E ― 測得的氧電勢； bE ― 本底電勢； error ― 線性誤差修正值； 將 E′代入能斯特公式，即可求得煙氣中的氧含量。 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計 儀器的工作原理 本儀器的設(shè)計是基于溫度為 700176。C 恒溫時，通過氧化鋯檢 測器的鋯管輸出電動勢與氧氣的濃度對照表才能準確的計算出殘氧濃度，所以該儀器的工作過程如下： 首先儀器進入升溫狀態(tài)，通過電爐絲對氧化鋯探頭進行加熱，顯示器顯示出溫度值，儀器的溫度數(shù)據(jù)由熱電偶采集，并由固態(tài)繼電器控制電爐絲的加熱。經(jīng)過 2～3 分鐘左右溫度達到 700176。C ，儀器由升溫狀態(tài)轉(zhuǎn)入氧量測量狀態(tài)，顯示器顯示氧氣含量，儀器輸出 4～ 20mA 信號。在氧量測量狀態(tài)下， LCD 顯示氧量、溫度等各種參數(shù)，可以通過按鍵完成參數(shù)的設(shè)置和零點標定，通過現(xiàn)場總線完成數(shù)據(jù)的傳輸以及上位機對氧化鋯氧量分析儀表的監(jiān)控。 華北電力大學碩士學位論文 23 系統(tǒng) 整體設(shè)計 C8051F040 中集成 12 位 A/D 轉(zhuǎn)換電路以及符合 標準的 CAN 總線控制器。 系統(tǒng)擴展的外圍電路及接口電路數(shù)量少，系統(tǒng)的可靠性及穩(wěn)定性較高，系統(tǒng)功能擴展及軟硬件升級比較方便。 系統(tǒng)整體設(shè)計采用模塊化結(jié)構(gòu) [20]，分為八個模塊：液晶顯示與觸摸屏、溫度控制與調(diào)節(jié)、系統(tǒng)設(shè)置、數(shù)據(jù)采集、系統(tǒng)校正、日歷時鐘、上位機虛擬儀表、總線通信 。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖 36 所示。 儀表采用氧化鋯作為氧量傳感器，在氧化鋯鋯頭部分，設(shè)計了加熱電阻爐構(gòu)成自熱式氧量傳感器。首先由 MCU（ C8051F040）通過熱電偶進行溫度 采集（由補償電路進行溫度補償），根據(jù)采集的溫度，通過溫度控制電路控制電阻爐加熱，保持氧化鋯鋯頭溫度 700176。C 恒定。將氧化鋯輸出的電勢差（毫伏）信號，經(jīng)過放大和濾波電路，送入 MCU 內(nèi)部的 A/D 轉(zhuǎn)換器進行模數(shù)轉(zhuǎn)換和存儲，然后將數(shù)據(jù)送到液晶觸摸屏進行顯示，由于 MCU 和液晶屏分別使用 和 5V 供電，所以由 MCU 發(fā)送到液晶觸摸屏的指令和數(shù)據(jù)，需要經(jīng)過電平轉(zhuǎn)換電路，方可正確傳輸。在氧化鋯傳感器使用一定期限后，需要進行系統(tǒng)自校準，通過程序定時控制校準電路，完成校準功能。系統(tǒng)時鐘以及定時校準時間觸發(fā)中斷控制由時鐘電路提 供。本儀表為現(xiàn)場總線儀表，通過 MCU 內(nèi)部集成的總線控制器和總線通信電路，實現(xiàn)與 CAN 總線的連接和通信，通信協(xié)議符合 [21][22][23]。 電平轉(zhuǎn)換總線收發(fā)器C 8 0 5 1F 0 4 0 320x240點觸式液晶顯示屏時鐘芯片74HC245數(shù)據(jù)交互命令發(fā)送人機交互操作員晶振激勵邊沿中斷實時數(shù)據(jù)溫度信號氧量信號信號放大信號放大濾波濾波自動校正繼電器時間基準現(xiàn)場總線74HC24574HC245電磁閥熔斷器超溫PID控制固態(tài)繼電器電阻爐AD590標準氣溫度補償熱電耦圖 3–6 現(xiàn)場總線智能氧量分析儀表原理圖 華北電力大學碩士學位論文 24 第四章 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計 微處理器（ MCU）的選型 單片機的發(fā)展非常迅速，世界上著名的半導(dǎo)體廠商都 重視 新型單片機的研制、生產(chǎn)和推廣。單片機性能不斷完善，性 價 比顯著提高，種類和型號快速增加 ， 其應(yīng)用已滲透到各行各業(yè)的應(yīng)用領(lǐng)域。 C8051F